EGR对柴油机排放影响之研究

2011-06-09邹振宇

长春工程学院学报（自然科学版） 2011年3期

邹振宇,刘晶

(1.吉林建筑工程学院土木工程学院,长春130118;2.吉林大学机械科学与工程学院;3.国家开发银行吉林省分行,长春130021)

0 引言

节能、减排是当今世界面临的最大问题,柴油机的排放是影响这两个问题的最大因素之一。为了解决这个问题,世界范围内对柴油机排放的研究越来越热。我国对柴油机排放也做了大量的研究。要解决柴油机尾气污染的问题,根据大量的研究经验来看,废气再循环(EGR)技术是降低柴油机排放的一项最有利措施[1-2]。通过在进气管中引入CO2,能有效增加比热[3-4]。引入CO2可以通过引入部分排气来实现。同时EGR稀释了混合气中的O2,NOx的生成量被大大降低[5-7]。本文利用EGR技术,通过试验的方法,研究EGR对柴油机排放的影响,并总结其影响规律。

1 EGR系统在发动机上的结构布置

1.1 样机参数

本文所研究样机的基本参数如表1所示。

表1 柴油机参数

1.2 EGR的结构布置

实验装置示意图见图1。

图1 实验装置示意图

本试验的EGR系统采用废气从涡轮机前排气管引出模式(试验设备由一汽集团某科研单位提供的专业试验台架进行,EGR系统以此试验台架为基础由笔者自行搭建),废气与压后进气混合进入汽缸。此种EGR废气流动路线设计与其他方式相比可以避免再循环废气污染压气机和中冷器,使压气机和中冷器不受排气中的微粒、碳氢化合物和硫的影响,从而减少了可能会出现的淤塞与腐蚀问题[8]。通常增压直喷柴油机的排气平均压力小于进气平均压力,要实现稳定可靠的废气再循环,必须采取措施克服压力逆差,使足量的废气送入进气系统。克服压力逆差通过调整增压器参数以提高涡前压力方法来实现。由涡轮前排气管向中冷后进气管加EGR废气,通过废气调节阀控制废气流量,并利用EGR冷却器对废气进行冷却。

1.3 EGR试验注意事项

(1)试验时需要严格控制试验边界条件,比如对EGR系统影响较大的排气背压,中冷后温度和压力等试验参数,时刻控制这些重要参数保持在合理的范围之内。

(2)试验过程中要密切关注一些对发动机性能有重要影响的试验参数,如发动机的热负荷是否运行,发动机长时间运行在高转速高负荷工况下,排气温度和压气机转速是否超标等,这些都是 EGR系统可能带来的一些负面影响。

2 试验结果及分析

图2 发动机A100转速特性图

图2为发动机A100转速特性图(此工况下发动机的转速为1 460 r/min,负荷为450 N·m),图上各点数值为多次测量后的平均值。从图上可以发现EGR开度由小变大的过程中,EGR率很小,最高可以达到4左右。对于A100转速,由于涡前与中冷后压差较小,也就是说没有足够的压力差使废气再循环,是无法实现较大EGR率的真正原因。因此,此工况下,通过EGR来控制NOx就比较困难。可以发现,NOx的排放量位于5.3～6.5 g/kW·h之间,而SOOT的排放量却只在0.004～0.009 g/kW·h之间,可以说A100代表了发动机A转速的特性,EGR率比较小,NOx的排放量比较大,而SOOT排放相对要小。虽然,对于A转速利用 EGR控制NOx的排放量比较苦难,但从图上也可以看到,随着EGR开度增大逐渐减小,而SOOT却相反增加。

图3 发动机C100转速标定特性图

图3为发动机C100转速特性图(此工况下发动机的转速为2 220 r/min,负荷为420 n·m),图上各点数值为多次测量后的平均值。此工况下发动机的EGR率是比较高的,很小的EGR开度就可以得到很高的EGR率。对于C100转速,由于涡前与中冷后压差较大,也就是说具有足够的压力差使废气再循环。在此时,NOx的排放量位于2.8～4.6 g/kW·h之间,而SOOT的排放量却在0.02～0.1 g/kW·h之间。对比A转速,NOx的排放量大大地降低了,而SOOT的排放量却大大地增加了。这正是因为在C100转速工况下,EGR率比较大,废气再循环进入汽缸中的废气量比较多,从而大大破坏了NOx的生存环境,很大程度上降低了NOx的排放量,但也产生了副面效应,由于引进的废气变多,使燃油燃烧不充分,这样使碳烟SOOT的生成量变大。从图3也可以看出,随着EGR开度的增大,柴油机排放物中NOx的排放量也是随着EGR开度增大逐渐减小,而SOOT却相反的增加。

图4 发动机B100转速标定特性图

图4为发动机B100转速特性图(此工况下发动机的转速为1 840 rpm,负荷为440 n·m),图上各点数值为多次测量后的平均值。此工况下发动机的EGR率位于A转速与C转速之间,从图4也可以看出,随着EGR开度的增大,柴油机排放物中NOx的排放量也是随着EGR开度的增大而逐渐减小,而SOOT却相反地增加。B100转速,NOx的排放量位于3.2～5.6 g/kW ·h之间,而SOOT的排放量却只在0.01～0.035 g/kW·h之间。对比A和C转速,排放物排放量也在A与C转速之间。这种工况下可以比较容易地平衡NOx和SOOT的排放关系。